افزایش بازدهی پنلهای خورشیدی(NEW)
دانشمندان موفق به طراحی سلول خورشیدی چندلایه شده اند که در شبیه سازیها توانایی جذب تا ۵۱٫۸ درصد را دارد.
این بازدهی بیش از آن چیزی است که به عنوان هدف برای دستیابی به بازدهی بیش از ۵۰ درصد معرفی شده بود.
لازم به ذکر است که رکورد جهانی تا حال حاضر برابر ۴۳٫۵ درصد است که مربوط به سلول خورشیدی با ساختار سه لایه است.
این کار با همکاری محققانی از دانشگاه های پاسادانا در کالیفرنیا، موسسه استانداردها و تکنولوژی در گایزنبرگ مریلند، دانشگاه مریلند در کالج پارک و آزمایشگاه تحقیقاتی بویینگ در سیلمار کالیفرنیا انجام شده است.
نتایج تحقیقاتی بدست آمده توسط این گروه تحقیقاتی در شماره اخیر ژورنال Applied Physics Letters به چاپ رسیده است.
صاعقه گیر آذرخش جهت محافظت از صفحات خورشیدی در مقابل اصابت مستقیم صاعقه
جدیدترین سلول خورشیدی چندلایه طراحی شده، دارای سه لایه است.
این سه لایه هر کدام گپ انرژی متفاوتی دارند تا بتوانند فوتونهایی با انرژی مختلف را جذب کنند.
بدین منظور از نیمه هادیهایی با گپ انرژی متفاوت استفاده میشود.
در عین حال باید توجه داشت که هر نوع نیمه هادی را نمیتواند بر روی نیمه هادی دیگر لایه نشانی کرد.
در واقع نیمه هادیهای مورد استفاده باید ضرایب لتیس با تفاوت خیلی کمی داشته باشند.
در نتیجه دانشمندان در تلاشند تا ساختارهای چندلایه، در حال حاضر سه لایه، که ثابت لتیس های منطبقی دارند را مورد استفاده قرار دهند.
آنطور که محققان در این زمینه توضیح میدهند، سلولهای خورشیدی چندلایه یکی از مناسب ترین گزینه ها جهت تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته هستند.
در سلولهای خورشیدی چندلایه، هر لای نیمه هادی که به عنوان یک لایه مجزا در ساخت کل سلول خورشیدی قرار گرفته، توانایی جذب قسمت معینی از طیف خورشیدی و تبدیل آن به الکتریسیته را دارد.
در نتیجه زیرلایه های نیمه هادی میتوانند به این شکل بر روی هم قرار بگیرند:
در لایه اول نیمه هادی ای که در مقایسه با سایر نیمه هادی های مورد استفاده در کل ساختار دارای گپ انرژی بزرگتری است قرار میگیرد.
تا بتواند قسمتی از طیف که دارای انرژی بیشتری است، یعنی طول موج کوتاه یا همان فرکانسهای بالا، را جذب کند.
امواج با طول موج بالاتر که انرژی کمتری دارند از لایه اول ساختار عبور میکنند و به لایه های زیرین که از نیمه هادیهایی با گپ انرژی کمتر تشکیل شده اند برخورد میکند تا در لایه های زیرین جذب شوند.
صاعقه گیر آذرخش جهت محافظت از صفحات خورشیدی در مقابل اصابت مستقیم صاعقه
در تحقیق انجام شده خیر محققان بر تطبیق ساختارهای نیمه هادی مورد استفاده در سلول خورشیدی چندلایه تمرکز کرده اند.
تا هم بتوانند نیمه هادیهایی با ثابت لتیس و جریان اپتیکی منطبق انتخاب کنند و هم این ساختار را برای جذب حداکثری بهینه کنند.
مارینا لیتی سرپرت این گروه تحقیقاتی در رابطه با اهمیت کار انجام شده توسط این گروه میگوید:
انطباق ساختار لتیس نیمه هادیها به معنی انطباق کریستالها در هر واحد سلولی در نیمه هادیهای مختلف مورد استفاده در لایه های مختلف است.
وی همچنین در ادامه اضافه میکند:
با استفاده از نیمه هادی های با ساختار کریستالی منطبق میتوان جابجایی های ساختاری و همچنین نقایص ساختار کیستالی که منجر به کاهش بازدهی ساختار میشوند را به حداقل رساند.
اهمیت انطباق لایه ها از لحاظ انطباق جربان اپتیکی نیز از این جهت حائز اهمیت است که درصورتی که یک لایه دارای یک حداکثر برای عبور جریان اپتیکی داشته باشد که پایین تر از مقدار حداکثری سایر لایه ها باشد.
آن لایه کل عملکرد ساختار را تحت الشعاع قرار داده و باعث محدودیت و کاهش بازدهی کل ساختار میشود.
صاعقه گیر آذرخش جهت محافظت از صفحات خورشیدی در مقابل اصابت مستقیم صاعقه
ساختارهای چندلایه معرفی شده برای سلول های خورشیدی دارای بازدهی بیشتری نسبت به سلولهای تک لایه خواهند بود.
در سلول های تک لایه حداکثر بازدهی محاسبه شده برابر ۳۴ درصد است.
اما در تئوری استفاده از ساختار چندلایه زمانی که تعداد لایه را بسیار زیاد کنیم توانایی جذب حداکثری برابر با ۸۷ درصد خواهد داشت.
اما برای دست یافتن به چنین بازدهی نیازمند بهینه سازی نیمه هادی های مورد استفاده در ساختار چندلایه، عمق آنها هستیم.
ضمن اینکه برای داشتن بازدهی بالا نیازمند نیمه هادیهایی هستیم که دارای گپهای انرژی مختلفی بوده تا هر کدام بتوانند طیف مجزایی از طیف تابشی خورشید را جذب کنند.
محققان برای بررسی بازدهی بالقوه ساختار عوامل متعددی که بر بازدهی کل ساختار تأثیر گذار است را در نظر گرفته اند.
از جمله موارد در نظر گرفته شده برای هر لایه تشکیل دهنده کل ساختار سلول خورشیدی چندلایه، میتوان به عوامل زیر اشاره کرد :
مواد تشکیل دهنده ساختار،
ثابت لتیس ساختار کریستالی هر کدام از نیمه هایهای مورد استفاده،
ضخامت هر لایه،
ثابت دی الکتریک هر لایه،
میل ترکیبی الکترونها در هر نیمه هادی که به عنوان یک ثابت به نام افینیتی بیان میشود.
گپ انرژی در هر لایه،
چگالی موثر لایه های رسانایی و والانس هر نیمه هادی،
موبیلیتی الکترونها و حفره ها در هر نیمه هادی،
چگالی ناخالصی مورد استفاده قرار گرفته در هر نیمه هادی،
بازترکیب شدن الکترونها و حفره ها در هر لایه که در صورتی که ضخامت لایه زیاد شود زمان لازم برای ترکیب مجدد الکترونها و حفره ها وجود خواهد داشت.
و اینکه در هر نیمه هادی بر اساس انرژی فوتونی که دریافت میکند، چه مقدار انرژی جذب میشود و یا اینکه چه مقدار از آن بازتاب میشود.
با در نظر گرفتن تمام عوامل موثر در عملکرد یک سلول خورشیدی چندلایه که در بالا ذکر شد، برای یک ساختار سه لایه که تحت تابش ۱۰۰ واحد نور خورشیدی قرار گرفته بود، نتایج شبیه سازی حاکی از جذب ۵۱٫۸ درصدی بود.
که در مقایسه با بهترین نتایج قبلی که حداکثر بازدهی آن جذب ۴۳٫۵ درصدی تحت تابش ۴۱۸ واحدی نور خورشیدی بوده، یک پیشرفت قابل ملاحظه به شمار می آید.
تمام سه لایه در نظر گرفته شده در طراحی جدید دارای بازدهی کوانتومی ۸۰ درصد بوده اند و همچنین جذب در طیف وسیعی از تابش رخ داده است.
صاعقه گیر آذرخش جهت محافظت از صفحات خورشیدی در مقابل اصابت مستقیم صاعقه
سلولهای خورشیدی چندلایه معمولا تحت تابش شدت نورهای مختلفی تست میشوند.
زیرا معمولا به منظور کاهش هزینه ناشی از استفاده از مواد نیمه رسانا و تکنیکهای ساخت پیجیده از این سلولها پس از یک متمرکز کننده نور مانند آینه های مقعر و یا عدسی ها استفاده میشود.
که میتوانند شدت نور را در محدوده کوچکی متمرکز کرده و ان را افزایش دهند.
همچنین به منظو تست تجربی ساختار طراحی شده محققان یک نمنه آزمایشگاهی از ساختار را برروی زمینه نیمه هادی ایندیوم فسفات ساختند.
با اینکه نمونه آزمایشگاهی ساخته شده اپتیمم نبود اما با این حال نشان دهنده ظرفیت موجود برای افزایش بازدهی سلول های خورشیدی چندلایه در مقایسه با سلولهای مورد استفاده کنونی بوده است.
اگرچه نمونه آزمایشگاهی از لحاظ جریان دارای ساختار منطبقی نبود اما به عقیده این گروه تحقیقاتی میتوان با استفاده از نیمه هادیهایی با چگالی ناخالصی کمتر میتوان به بازدهی بهتر دست یافت.
همچنین میتوان به منظور افزایش جذب و کاهش بازتاب ساختار موجود از لایه های جذب کننده در بالای ساختار سلول استفاده کرد تا بازتاب را در حالت کلی کاهش دهد.
در پایان یکی از اعضای این تیم تحقیقاتی میگوید که از نتایج اولیه که بر اساس شبیه سازی بدست آمده اند بسیار راضی و خشنود است و در آینده نزدیک قصد دارد تا اولین نمونه آزمایشگاهی اپتیمم شده را بسازد.
منبع:ileev.com
